isa与类关联的原理
alloc & init & new 源码分析文章中，alloc有3个核心操作，其中一个就是obj->initInstanceIsa，即类与isa绑定。主要理解类与isa是如何关联的。
objc4中分析obj->initInstanceIsa源码
探索对象本质
- 在main中自定义一个类ZMPerson，有一个属性name
#import <Foundation/Foundation.h>
@interface ZMPerson : NSObject
@property (nonatomic, copy) NSString *name;
@end
@implementation ZMPerson
@end
int main(int argc, char * argv[]) {
@autoreleasepool {
}
return 0;
}
- 通过终端，利用clang将main.m编译成 main.cpp，有以下几种编译命令，这里使用的是第一种
//1、将 main.m 编译成 main.cpp
clang -rewrite-objc main.m -o main.cpp
//2、将 ViewController.m 编译成 ViewController.cpp clang -rewrite-objc
-fobjc-arc -fobjc-runtime=ios-13.0.0 -isysroot / /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator13.7.sdk
ViewController.m
//以下两种方式是通过指定架构模式的命令行，使用xcode工具 xcrun
//3、模拟器文件编译
- xcrun -sdk iphonesimulator clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main-arm64.cpp
//4、真机文件编译
- xcrun -sdk iphoneos clang -arch arm64 -rewrite-objc main.m -o main- arm64.cpp
Clang
clang是一个由Apple主导编写，基于LLVM的C/C++/OC的编译器
主要是用于底层编译，将一些文件``输出成c++文件，例如main.m 输出成main.cpp，
其目的是为了更好的观察底层的一些结构 及 实现的逻辑，方便理解底层原理。
ZMPerson 的定义
- 打开编译好的main.cpp，找到ZMPerson 的定义
// ZMPerson的底层编译
struct ZMPerson_IMPL {
struct NSObject_IMPL NSObject_IVARS; // isa
NSString *_name;
};
//NSObject 的底层编译
struct NSObject_IMPL {
Class isa;
};
//NSObject的定义
@interface NSObject <NSObject> {
Class isa OBJC_ISA_AVAILABILITY;
}
ZMPerson在底层会被编译成 struct 结构体
- ZMPerson_IMPL中的第一个属性 其实就是 isa，是继承自NSObject，属于伪继承，
伪继承的方式是直接将NSObject结构体定义为ZMPerson_IMPL中的第一个属性，意味着ZMPerson_IMPL拥有 NSObject中的所有成员变量。
- ZMPerson中的第一个属性 NSObject_IVARS 等效于 NSObject中的 isa
疑问：为什么isa的类型是Class?
- alloc & init & new 源码分析文章中，提及过alloc方法的核心之一的initInstanceIsa方法，通过查看这个方法的源码实现，我们发现，在初始化isa指针时，是通过isa_t类型初始化的
- 而在NSObject定义中isa的类型是Class，其根本原因是由于isa
对外反馈的是类信息，为了让开发人员更加清晰明确，需要在isa返回时做了一个类型强制转换，类似于swift中的 as
的强转。源码中isa的强转如下图所示
总结
所以从上述探索过程中可以得出：
- OC对象的本质 其实就是 结构体
- ZMPerson中的isa是继承自NSObject中的isa
objc_setProperty 源码探索(name 对应的 set方法)
除了ZMPerson的底层定义，我们发现还有属性 name 对应的 set 和 get方法，如下图所示，其中set方法的实现依赖于runtime中的objc_setProperty。
objc_setProperty的底层实现
- 在objc4-781中全局搜索objc_setProperty，找到objc_setProperty的源码实现
- 进入reallySetProperty的源码实现，其方法的原理就是新值retain，旧值release
objc_setProperty 的设计模式（适配器设计模式）
objc_setProperty方法的目的适用于关联 上层的set方法 以及 底层的set方法，其本质就是一个接口
这么设计的原因
上层的set方法有很多，如果直接调用底层set方法中，会产生很多的临时变量，当你想查找一个sel时，会非常麻烦
适配器设计模式（即将底层接口适配为客户端需要的接口）
- 对外提供一个接口，供上层的set方法使用
- 对内调用底层的set方法，使其相互不受影响
- 即无论上层怎么变，下层都是不变的
- 或者下层的变化也无法影响上层
- 主要是达到上下层接口隔离的目的
下图是上层、隔离层、底层之间的关系
结构体与联合体
构造数据类型的方式有以下两种：
- 结构体（struct）
- 联合体（union，也称为共用体）
结构体
结构体是指把不同的数据组合成一个整体，其变量是共存的，变量不管是否使用，都会分配内存。
优点：
存储容量较大，包容性强，且成员之间不会相互影响
缺点：
所有属性都分配内存，比较浪费内存，假设有4个int成员，一共分配了16字节的内存，但是在使用时，你只使用了4字节，剩余的12字节就是属于内存的浪费
联合体
联合体也是由不同的数据类型组成，但其变量是互斥的，所有的成员共占一段内存。而且共用体采用了内存覆盖技术，同一时刻只能保存一个成员的值，如果对新的成员赋值，就会将原来成员的值覆盖掉
优点：
所有成员共用一段内存，使内存的使用更为精细灵活，同时也节省了内存空间
缺点：
包容性弱
结构体与联合体区别
- 内存占用情况
- 结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响
- 共用体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员
- 内存分配大小
- 结构体内存 >= 所有成员占用的内存总和（成员之间可能会有缝隙）
2.共用体占用的内存等于最大的成员占用的内存
isa 与 类 的关联原理
isa的类型 isa_t
思考：为什么isa的类型isa_t（联合体）
从isa_t的定义
以下是isa指针的类型isa_t的定义，从定义中可以看出是通过联合体（union）定义的。
union isa_t { //联合体
isa_t() { }
isa_t(uintptr_t value) : bits(value) { }
//提供了cls 和 bits ，两者是互斥关系
Class cls;
uintptr_t bits;
#if defined(ISA_BITFIELD)
struct {
ISA_BITFIELD; // defined in isa.h
};
#endif
};
从isa_t的定义中可以看出：
提供了两个成员，cls 和 bits（互斥）
由联合体的定义所知，这两个成员是互斥的，也就意味着，当初始化isa指针时，有两种初始化方式
- 通过cls初始化，bits无默认值
- 通过bits初始化，cls有默认值
结构体定义的位域（ ISA_BITFIELD）
用于存储类信息及其他信息，结构体的成员ISA_BITFIELD，这是一个宏定义，有两个版本 arm64（对应ios 移动端） 和 x86_64（对应macOS），以下是它们的一些宏定义，如下图所示
nonpointer有两个值，表示自定义的类等，占1位
- 0：纯isa指针
- 1：不只是类对象地址，isa中包含了类信息、对象的引用计数等 has_assoc表示关联对象标志位，占1位
- 0：没有关联对象
- 1：存在关联对象
has_cxx_dtor 表示该对象是否有C++/OC的析构器（类似于dealloc），占1位
-
如果有析构函数，则需要做析构逻辑
-
如果没有，则可以更快的释放对象
shiftclx表示存储类的指针的值（类的地址）， 即类信息
-
arm64中占 33位，开启指针优化的情况下，在arm64架构中有33位用来存储类指针
-
x86_64中占 44位
magic 用于调试器判断当前对象是真的对象 还是 没有初始化的空间，占6位
weakly_refrenced是 指对象是否被指向 或者 曾经指向一个ARC的弱变量
没有弱引用的对象可以更快释放
deallocating 标志对象是是否正在释放内存
has_sidetable_rc表示 当对象引用计数大于10时，则需要借用该变量存储进位
extra_rc（额外的引用计数） — 导尿管表示该对象的引用计数值，实际上是引用计数值减1
如果对象的引用计数为10，那么extra_rc为9
针对两种不同平台，其isa的存储情况如图所示
isa_t类型使用联合体的原因
也是基于内存优化的考虑，这里的内存优化是指在isa指针中通过char + 位域（即二进制中每一位均可表示不同的信息）的原理实现。isa指针占用的内存大小是8字节，即64位，已经足够存储很多的信息了，这样可以极大的节省内存，以提高性能
原理探索
找到obj->initInstanceIsa源码
- 首先从alloc进入objc的源码，找到obj = (id)calloc(1, size);操作，涉及的方法顺序是alloc --> _objc_rootAlloc --> callAlloc --> _objc_rootAllocWithZone --> _class_createInstanceFromZone
找到initIsa方法
- 上边 initInstanceIsa 方法点击进去
inline void
objc_object::initInstanceIsa(Class cls, bool hasCxxDtor)
{
ASSERT(!cls->instancesRequireRawIsa());
ASSERT(hasCxxDtor == cls->hasCxxDtor());
initIsa(cls, true, hasCxxDtor);
}
- 进入initIsa方法的源码实现，主要是初始化isa指针
该方法的逻辑主要分为两部分
- 通过 cls 初始化 isa
- 通过 bits 初始化 isa
isa里面不单单是一个指针，内部结构中还可能包括 是否正在释放、引用计数、weak、关联类、析构函数等
可以看到在initInstanceIsa方法中直接传入的是true，也就是非指针源，那这就给我们探究isa里面
到底存放了些什么铺开了路
isa 与 类 的关联
cls 与 isa 关联原理就是isa指针中的shiftcls位域中存储了类信息，其中initInstanceIsa的过程是将 calloc 指针 和当前的 类cls 关联起来，有以下几种验证方式：
【方式一】通过initIsa方法中的newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;验证
【方式二】通过isa指针地址与ISA_MSAK 的值 & 来验证
【方式三】通过runtime的方法object_getClass验证
【方式四】通过位运算验证
方式一：通过 initIsa 方法
运行至newisa.shiftcls = (uintptr_t)cls >> 3;前一步，其中 shiftcls存储当前类的值信息
此时查看cls，是ZMPerson类
shiftcls赋值的逻辑是将 ZMPerson进行编码后，右移3位
执行lldb命令p (uintptr_t)cls，结果为(uintptr_t) $2 = 4294975720,再右移三位，有以下两种方式（任选其一），将得到536871965存储到newisa的shiftcls中
p (uintptr_t)cls >> 3
通过上一步的结果$2，执行lldb命令p $2 >> 3
继续执行程序到isa = newisa;部分，此时执行p newisa
与bits赋值结果的对比，bits的位域中有两处变化
cls 由默认值，变成了LGPerson，将isa与cls完美关联
shiftcls由0变成了536871965
所以isa中通过初始化后的成员的值变化过程，如下图所示
为什么在shiftcls赋值时需要类型强转？
因为内存的存储不能存储字符串，机器码只能识别 0 、1这两种数字，所以需要将其转换为uintptr_t数据类型，这样shiftcls中存储的类信息才能被机器码理解， 其中uintptr_t是long
isa.shiftcls 为什么需要右移3位？
主要是由于shiftcls处于isa指针地址的中间部分，前面还有3个位域，为了不影响前面的3个位域的数据，需要右移将其抹零。
方式二：通过 isa & ISA_MSAK
- 执行x/4gx p1,得到isa指针的地址0x00000001015a45a0
- 将isa指针地址 & ISA_MASK （处于macOS，使用x86_64中的宏定义），即 0x00000001015a45a0 &
0x00007ffffffffff8 ，得出ZMPerson
arm64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x0000000ffffffff8ULL
x86_64中，ISA_MASK 宏定义的值为0x00007ffffffffff8ULL
方式三：通过 object_getClass
通过查看object_getClass的源码实现，同样可以验证isa与类关联的原理，有以下几步：
1.main中导入#import
2.通过runtime的api，即object_getClass函数获取类信息
object_getClass(<#id _Nullable obj#>)
1.查看object_getClass函数 源码的实现
2.点击进入object_getClass 底层实现
3.点击ISA()，进入源码
- 在else流程中，拿到isa的bits这个位，再 & ISA_MASK，这与方式二中的原理是一致的，获得当前的类信息
- 从这里也可以得出 cls 与 isa 已经完美关联
(Class)(isa.bits & ISA_MASK);
(isa.bits & ISA_MASK) 结合之后强转成Class